https://x.com/NobelPrize/status/1975860703857680729
瑞典皇家科學院決定將2025年諾貝爾化學獎頒給北川進、Richard Robson 和 Omar M.
Yaghi，以表彰他們「在金屬有機框架領域的發展」。
北川進
1951年出生於日本京都。1979年在日本京都大學獲得博士學位。現任日本京都大學教授。
理查德·羅布森
1937年出生於英國格勒斯本。 1962年獲英國牛津大學博士學位。現為澳洲墨爾本大學教
授。
奧馬爾·M·亞吉
1965年出生於約旦安曼。 1990年獲得美國伊利諾大學香檳分校博士學位。現為美國加州
大學柏克萊分校教授。
他們為化學創造了新的房間
北川進（Susumu Kitagawa） 、 理查德·羅布森（Richard Robson） 和 奧馬爾·M·亞
吉（Omar M. Yaghi） 因開發出一種新型分子結構而榮獲2025年諾貝爾化學獎。他們創造
的這種結構——金屬有機骨架——包含巨大的空腔，分子可以在其中進出。研究人員利用
它們從沙漠空氣中獲取水分、從水中提取污染物、捕獲二氧化碳並儲存氫氣。
一間美觀寬敞的單間公寓，專為你作為水分子的生活而設計——房地產經紀人可能會這樣
描述近幾十年來世界各地實驗室研發的各種金屬有機框架之一。其他此類結構則專門用於
捕捉二氧化碳、從水中分離全氟辛烷磺酸 (PFAS)、在體內輸送藥物或處理劇毒氣體。有
些結構可以捕捉水果中的乙烯氣體（使其成熟得更慢），或是封裝分解環境中微量抗生素
的酵素。
簡而言之，金屬有機骨架極為有用。北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（
Richard Robson）和奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）榮獲2025年諾貝爾化學獎，因為他們創
造了第一個金屬有機骨架（MOF）並展示了其潛力。由於這三位得獎者的工作，化學家們
得以設計出成千上萬種不同的MOF，從而催生出新的化學奇蹟。
正如科學界常見的情況一樣，2025年諾貝爾化學獎的故事始於一位打破常規的思考者。這
次，靈感來自於一堂經典化學課的準備，當時學生需要用棒狀和球狀的物體來建構分子。
一個簡單的分子木製模型產生了一個想法
那是1974年。當時在澳洲墨爾本大學任教的理查德·羅布森接到一個任務，要把木球變成
原子模型，以便學生們能夠創建分子結構。為了完成這項工作，他需要大學的工作室在木
球上鑽孔，以便木棒（即化學鍵）能夠與原子連接。然而，這些孔不能隨意排列。每個原
子（例如碳、氮或氯）都以特定的方式形成化學鍵。羅布森需要標出鑽孔的位置。
當車間歸還木球後，他開始嘗試建構一些分子。這時，他靈光一閃：孔洞的位置蘊含著大
量的資訊。由於孔洞的位置，模型分子會自動擁有正確的形態和結構。這項發現引發了他
的下一個想法：如果他利用原子的固有屬性來連接不同類型的分子，而不是單個原子，會
發生什麼事？他能設計出新型態的分子結構嗎？
Robson 打造創新化學產品
每年，當羅布森拿出木製模型給新生上課時，他都會有同樣的想法。然而，十多年後，他
才決定進行實驗。他從一個非常簡單的模型開始，靈感來自鑽石的結構：鑽石中每個碳原
子與其他四個碳原子結合，形成一個微型金字塔（圖2）。羅布森的目標是建構一個類似
的結構，但他的模型將基於帶正電的銅離子Cu。 + . 像碳一樣，它們更喜歡周圍有四個
其他原子。
他將銅離子與一個有四個臂的分子結合在一起： 4′,4〃,4”',4””-四氰基四苯基甲
烷 。我們無需記住它複雜的名稱，但重要的是，每個臂末端的分子都有一個化學基團
腈 ，它會被帶正電的銅離子吸引。
當時，大多數化學家認為，將銅離子與四臂分子結合，會形成一個由離子和分子組成的鳥
巢。但事情卻如羅布森所料。正如他所預測的那樣，離子和分子之間固有的吸引力起了作
用，因此它們自行組裝成一個大型分子結構。就像鑽石中的碳原子一樣，它們形成了規則
的晶體結構。然而，與緻密的鑽石不同，這種晶體包含大量巨大的空腔（圖2）。
1989年，羅布森在 《美國化學會誌》 上發表了他的創新化學成果。在文章中，他展望了
未來，並指出這可能為材料的建造提供一種新途徑。他寫道，這些材料可能具有前所未有
的特性，甚至可能帶來益處。
事實證明，他已經預見了未來。
羅布森帶來了化學領域的拓荒精神
在他開創性研究發表的第二年，羅布森提出了幾種新型分子結構，這些結構中空腔內填充
了各種物質。他利用其中一種結構來交換離子。他將這種充滿離子的結構浸入含有不同類
型離子的液體中。結果，離子發生了位置互換，證明了物質可以流入和流出這種結構。
羅布森在實驗中展示了合理的設計可以用於建構內部空間寬敞、針對特定化學物質進行最
佳化的晶體。他認為，這種新型分子結構——如果設計正確——可以用於催化化學反應等
。
然而，羅布森的構想搖搖欲墜，隨時可能崩塌。許多化學家認為這些構想毫無用處，但也
有人看出他有所建樹，他對未來的構想喚醒了他們的開拓精神。為他的願景奠定堅實基礎
的是北川進（Susumu Kitagawa）和奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）。 1992年至2003年間，
他們分別取得了一系列突破性的發現。我們將從1990年代開始，從當時在日本近畿大學工
作的北川進（Susumu Kitagawa）開始。
北川的座右銘：無用之物也能變得有用
在他的研究生涯中，北川進（Susumu Kitagawa）始終遵循著一個重要的原則：努力發現
「無用之用」。年輕學生時代，他讀過諾貝爾獎得主 湯川秀樹 的一本書。湯川在書中引
用了中國古代哲學家莊子的話：我們必須質疑我們認為有用的東西。即使某些東西不能帶
來直接的益處，它最終也可能被證明是有價值的。
因此，當北川開始研究建構多孔分子結構的潛力時，他並不認為它們必須有特定的用途
。 1992年，他首次展示了自己的分子結構，當時它確實沒什麼用處：一種二維材料，帶
有空腔，丙酮分子可以藏匿其中。然而，它源自於一種對分子建構藝術的全新思考。像羅
布森一樣，他使用銅離子作為基石，並透過更大的分子連接在一起。
北川想繼續試驗這項新的建築技術，但當他申請資助時，研究資助者認為他的雄心壯志沒
有任何特別的意義。他創造的材料不穩定，也沒有任何用途，因此他的許多提案都被拒絕
了。
然而，他沒有放棄，並在1997年取得了第一個重大突破。他的研究團隊利用鈷、鎳或鋅離
子以及一種名為 4,4′-聯吡啶 的分子，建構了三維金屬有機骨架，這些骨架之間由開放
通道相交（圖3）。當他們將其中一種材料乾燥（即抽乾水分）後，它變得穩定，甚至可
以在空間中填充氣體。這種材料可以吸收和釋放甲烷、氮氣和氧氣，而不會改變形狀。
北川看到了自己作品的獨特之處
北川的構造既穩定又實用，但研究資助者仍未能發現其魅力。原因之一是，化學家已經擁
有 沸石 ——一種穩定多孔的材料，可以用二氧化矽來製造。沸石可以吸收氣體，那麼為
什麼有人會開發出一種效果不如沸石的類似材料呢？
北川進（Susumu Kitagawa）深知，如果想獲得任何重大資助，就必須闡明金屬有機骨架
的獨特之處。因此，1998年，他在 《日本化學會誌》 上闡述了自己的構想。他列舉了
MOF的諸多優勢。例如，它們可以由多種類型的分子構成，因此在整合不同功能方面擁有
巨大的潛力。此外，這一點也很重要，他意識到MOF可以形成軟材料。與通常為硬質材料
的沸石不同，MOF包含靈活的分子結構單元（圖4），可以形成柔韌的材料。
此後，他只需將自己的想法付諸實行。北川與其他研究人員一起，開始開發柔性MOF。在
他們進行這項工作的同時，我們將把重點轉移到美國，在那裡，奧馬爾·亞吉也致力於將
分子結構提升到新的高度。
一次秘密圖書館之旅讓 Yaghi 對化學有了新的認識
對奧馬爾·亞吉來說，學習化學並非顯而易見的選擇。他和兄弟姊妹在約旦安曼的一間小
房間長大，那裡沒有電，也沒有自來水。學校成了他逃避充滿挑戰的生活的避難所。十歲
那年，有一天，他偷偷溜進平常上鎖的學校圖書館，從書架上隨意翻閱了一本書。打開書
，他的目光被那些難以理解卻又引人入勝的圖片所吸引──這是他第一次接觸分子結構。
15歲時，在父親嚴厲的教導下，亞吉前往美國學習。他被化學深深吸引，最終被新材料設
計藝術所吸引，但他發現傳統的建構新分子的方法太難以預測。通常，化學家會將需要反
應的物質混合在一個容器中。然後，為了啟動化學反應，他們會加熱容器。所需的分子會
生成，但通常會伴隨一系列污染性的副產物。
1992年，亞吉在亞利桑那州立大學擔任研究組組長，首次擔任該職位時，他希望找到更可
控的材料合成方法。他的目標是透過合理的設計，將不同的化學成分（就像樂高積木一樣
）連接起來，形成大型晶體。這極具挑戰性，但最終，當研究小組開始將金屬離子與有機
分子結合時，他們成功了。 1995年，亞吉發表了兩種不同二維材料的結構；它們形狀像
網狀，由銅或鈷連接在一起。後者可以在其空間中容納客體分子，當這些客體分子被完全
佔據時，它非常穩定，即使在350°C的高溫下也不會崩塌。亞吉在《自然》雜誌的一篇文
章中描述了這種材料，並創造了「金屬有機骨架」這個名稱；這個術語如今被用來描述由
金屬和有機（碳基）分子構成的、可能包含空腔的有序延伸分子結構。
Yaghi 的框架只需幾克就能容納一個足球場
1999年，Yaghi向世人展示了MOF-5，為金屬有機骨架的發展樹立了新的里程碑。這種材料
已成為該領域的經典。它是一種極為寬敞且穩定的分子結構。即使在空的情況下，它也能
加熱到300°C而不會坍塌。
然而，令許多研究人員感到驚訝的是，這種材料立方體內部隱藏著巨大的空間。幾克的
MOF-5就擁有一個足球場那麼大的面積，這意味著它能吸收的氣體比沸石多得多（圖5）。
說到沸石和MOF之間的區別，研究人員僅用了幾年時間就成功開發了柔性MOF。北川進本人
就是其中一位能夠提出這種柔性材質的人。他的材料在充滿水或甲烷時會變形，而在抽空
後又會恢復原狀。這種材料的行為有點像肺，可以吸入和呼出氣體，既可變又穩定。
Yaghi 的研究團隊利用沙漠空氣變出飲用水
奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）於2002年和2003年奠定了金屬有機骨架材料（MOF）的基石
。在 《科學》（Science） 和 《自然》（Nature）雜誌 上發表的兩篇文章中，展示了
以合理的方式修飾和改變MOF材料，賦予其不同特性的可能性。他成功製備了16種MOF-5變
體，其空腔比原始材料中的空腔更大或更小（圖6）。其中一種變體可以儲存大量的甲烷
氣體，亞吉認為這種氣體可以用於再生天然氣（RNG）燃料汽車。
隨後，金屬有機骨架材料風靡全球。研究人員開發出一種分子工具包，其中包含各種不同
的部件，可用於建造新的MOF。這些部件形狀各異、特性各異，為基於人工智慧設計用於
不同用途的MOF材料提供了巨大的潛力。圖7展示了MOF材料的應用範例。例如，Yaghi的研
究小組從亞利桑那州的沙漠空氣中收集了水。夜間，他們的MOF材料吸收了空氣中的水蒸
氣。黎明到來，太陽加熱材料，他們就能收集到水了。
捕獲二氧化碳和有毒氣體的MOF材料
研究人員已經創造出眾多不同且功能齊全的MOF材料。迄今為止，這些材料大多僅小規模
應用。為了充分發揮MOF材料對人類的益處，許多公司正在投資其大規模生產和商業化。
其中一些公司已經取得了成功。例如，電子業現在可以使用MOF材料來吸收生產半導體所
需的部分有毒氣體。另一種MOF材料可以分解有害氣體，包括一些可用於化學武器的氣體
。許多公司也正在測試能夠捕獲工廠和發電廠二氧化碳的材料，以減少溫室氣體排放。
一些研究人員認為，金屬有機骨架材料潛力巨大，可望成為21世紀的材料。時間會證明一
切，但透過金屬有機骨架材料的開發，北川進、理查德·羅布森和奧馬爾·亞吉等人為化
學家們提供了解決我們面臨的一些挑戰的新機會。正如阿爾弗雷德·諾貝爾的遺囑所述，
他們為人類帶來了最大的福祉。